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1金屬材料的微觀結構和性能

1．1金屬材料的微觀結構金屬材料的微觀結構就是指所有熱力學非平衡態的晶格缺陷在空間分布的集合。在工業中具有特殊性能的金屬材料都具有一定數量的缺陷，這種缺陷決定了金屬材料的塑性、強度等性能。這種缺陷可以分為4種：點缺陷、線缺陷、面缺陷以及體缺陷。具體4種缺陷的特征以及典型代表見表1。對于這些金屬材料的微觀學分析，根據熱力學第二定律可以知道，宏觀的晶體顆粒中的點缺陷是不可避免存在的。如果要消除線缺陷、面缺陷以及體缺陷中的各種缺陷，從熱力學的角度分析是可能發生的，但是這種工藝要求極其嚴格和復雜，并且生產成本非常高，這在一般的工廠生產中是不大可能去實現的。

1．2金屬材料的性能在工業生產以及日常應用中用到的金屬材料的性能一般包括使用性能和工藝性能，其中力學性能是使用性能中非常重要的一種。具有代表性的就是強度、韌性、可塑性、硬度等等力學性能，其中強度和韌性是衡量金屬結構材料的關鍵的力學性能指標，較高的強度和韌性能夠降低成本提高金屬制品的使用壽命。（1）強度金屬材料的強度就是指在強大壓力、拉伸等外力下金屬抵抗變形和斷裂的能力，金屬材料的高強度一直是人們追求的目標，因為金屬材料在外界環境作用下，只有具有較高強度才能夠保證各個部件安全正常運轉。（2）塑性在工業生產中，大型建筑以及橋梁、船舶等對于塑性的要求非常高，而影響塑性的因素有兩個：一是由金屬材料的微觀結構決定的；二是由外界環境條件決定的。加強微觀結構均勻性、合理調節金屬材料的變形溫度及速度對于提高金屬材料的塑性有重要的指導作用。（3）韌性韌性對于金屬材料的抗斷裂變形有重要意義，決定金屬材料具有較高韌性的關鍵性因素就是微觀結構的缺陷，比如材料微觀組織有位錯、晶粒粗化等現象就會使金屬材料的韌性降低。

2相場法概述

相場法是建立在熱力學基礎上的一種方法，它將有序化勢和化學驅動力有效的融合在一起，從而建立起一個能夠準確的描述系統演化動力學模型的相場方程。相場法的核心思想就是有效引入一個或者是多個場變量，描述界面也不再是傳統的尖銳界面，而是被替換成了彌散界面。另外，相場法通過外部場如溫度場和溶質場等能量場的耦合作用，實現了宏觀和微觀上有效結合。在利用相場法進行金屬微組織結構的模擬過程中，不需要追蹤界面的具體位置，能夠對晶界上出現或者是聚集的第二項問題進行仔細分析和處理，而且考慮綜合全面，具有良好的應用效果。

2．1相變量的選取相變量的選取是否恰當對于相場法的實施具有直接的影響。在相變量的選取過程中既不能忽視掉原本就具備的物理因素，同時還不能引入一些無關緊要的因素。一般情況下，在金屬微觀材料的演化過程中，相變量也是代表動力學特征發揮出了主要作用。

2．2構建自由能函數作為相場法中最為關鍵的一大環節———自由能函數的構建。

2．3主要步驟（1）首先分析研究的對象，根據具體的特征建立物理模型，使其能夠反映研究對象的本質。（2）針對建立的物理模型，創立其基本方程并找出該過程需要的所有數據參數。（3）選擇一種合理的數值計算方法來對創建的基本方程進行求解，將求解區域離散化處理，最后在計算機上模擬流程應用相場法進行金屬結構微觀組織的演化模擬。

3相場法應用舉例

在金屬材料的微觀結構模擬方法中，相場法的應用具有獨特的優勢。在相場法中，不需要追逐界面的位置，同時也有效解決了CA和MC方法。由于不能測量長程相互作用的局限性，憑借其自身技術優點，相場法在短時間內迅速成為了一大熱門方法，而且在材料領域研究工作中得到了較為廣泛的應用。

3．1凝固過程在我國金屬凝固過程的研究領域，許多學者如張玉妥等人對Fe－C合金的枝晶形貌的影響因素包括過冷度和界面厚度以及其他各方面的影響因素進行了分析；王錦程等人對多元合金枝晶生長的形態發展和偏析現象利用多元合金相場法進行了研究；朱昌盛等人對處于受迫流動下的枝晶非對稱生長以及流速對層流層的分布和溫度分布的影響利用相場法進行了定量的模擬。

3．2再結晶過程所謂再結晶過程就是在變形組織的基體中，已發生變形的晶粒逐漸被無形變的等軸晶粒所替代的過程。再結晶過程屬于金屬材料在冶金過程中重要的物理過程之一，屬于一套重要的晶粒軟化和細化機制，能夠對微觀組織的變形控制以及材料力學性能和塑性成形能力的提高提供一定的技術支持。在再結晶過程中退火也是實現工業控制和金屬材料的組織結構以及性能等方面重要轉變的有效手段。另外，再結晶晶粒的大小也直接影響金屬材料的性能。

3．3晶粒的長大過程在多晶材料中經常存在一種現象就是晶粒的長大，這一現象對于材料的性能也產生了重大的影響。早在20世紀90年代中期，著名研究學者CHEN和YANG提出了一種擴散界面的相場模型，對單晶粒長大的演化過程進行了模擬，其主要的研究特點就是將界面實行了彌散化處理。之后，CHEN和YANG將相場模型成功的從單向系統推廣到了雙相系統，另外還模擬了兩相晶粒的長大過程。緊接著KAZARY等人對晶界能和晶界遷移的各種異性情況下的晶粒增長過程進行了模擬，MA等人還對晶界能的各向異性組織結構的影響進行了分析。

3．4固態的相變過程金屬或者合金固態相變最終的目標就是更好完成對金屬或合金中化學成分和組織架構的調整，使材料具備人們在實踐中所需要的各種性能。在固態的相變方面，相場法無論是在擴散性相變還是在非擴散性相變過程中都有著比較廣泛的應用。

4結語

金屬材料作為我國國民經濟中的重要物質基礎，目前，對其在宏觀層面的研究已經相對完善，而對其微觀結構層面的研究還存在著一定的不足。同時由于金屬材料的微觀結構對其性能有著直接的影響，所以加大對金屬材料微觀結構的研究工作已成為一項迫在眉睫的重要任務。相場法在金屬微觀結構研究方面的應用，對相關研究工作提供了一定的技術支持，相信隨著科學技術的不斷進步，這方面的研究工作將更趨完善。

作者：姚海寧 單位：合肥工業大學